Detail předmětu

Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)

FIT-CPSaAk. rok: 2020/2021

Kyberneticko-fyzikální systémy (CPS) kombinují kybernetické schopnosti (výpočty a/nebo komunikaci) s fyzikálními schopnostmi (pohybem nebo jinými fyzikálními procesy). Aplikace takových systémů pokrývá automobilní systémy, systémy řízení letu, obranné systémy, řízení kritických infrastruktur (elektrická energie, vodní zdroje, komunikační systémy), správu a uchování energií, řízení a bezpečnost v dopravě, komunikační systémy, robotiku a distribuovanou robotiku (telemedicína), technologie ve zdravotnictví, systémy pro asistované žití, spotřební elektroniku, hračky a mnohá další takzvaná chytrá zařízení. Tato zařízení interagují ve fyzickém prostoru způsobem, který je určen řídicími počítačovými algoritmy. Návrh algoritmů řízení CPS je vzhledem k jejich těsnému provázání s fyzickým chováním systémů náročnou disciplínou. Důležitou součástí návrhu je správnost samotných řídicích algoritmů, protože na jejich funkci závisí provedení kritických úkolů jako například zabránění kolizí letounů či aut v automatickém, případně autonomním režimu. Cílem kurzu je najít odpověď na společenskou otázku, jak zodpovědně vytvořit kyberneticko-fyzikální systémy, na jejichž bezchybné funkci závisí lidské životy.

Garant předmětu

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Zajišťuje ústav

Ústav počítačové grafiky a multimédií (UPGM)

Výsledky učení předmětu

Úspěšný absolvent kurzu získá vědomosti o základních principech CPS a znalosti z návrhu a analýzy výpočetních systémů, které jsou integrovány ve fyzikálním (reálném) procesu. Získané vědomosti umožní kvalifikovaný náhled na abstrakci a systémovou architekturu a zárověn podpoří zvládnutí návrhu modelů a řídicích systémů, při současném využití adekvátních bezpečnostních specifikací pro dosažení kritických vlastností CPS. Získané vědomosti a dovednosti podpoří verifikaci CPS modelů vhodné úrovně při zohlednění předpokládaných účinků okolí na jejich funkci.

Doporučená nebo povinná literatura

Sang C. Suh, U. John Tanik, et al.: Applied Cyber-Physical Systems, Springer, 2013, ISBN-10: 1461473357.
Danda B. Rawat, Joel J.P.C. Rodrigues, Ivan Stojmenovic: Cyber-Physical Systems: From Theory to Practice, CRC Press, 2015, ISBN 9781482263329.
Rajeev Alur: Principles of Cyber-Physical Systems, The MIT Press, 2015, ISBN-10: 0262029111.

Způsob a kritéria hodnocení

  • Půlsemestrální písemka za 20b.
  • Vypracování projektu.

Jazyk výuky

angličtina

Cíl

Cílem předmětu je porozumění návrhu a analýzy kyberneticko-fyzikálních systémů, které integrují počítačové systémy ve fyzikálních procesech. Zároveň zodpoví otázku jak sestavit vysoce bezpečné systémy pracující souběžně v reálném čase. Součástí je také vytváření a programování řídicích systémů v laboratorních podmínkách.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MGMe , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný

  • Program MITAI magisterský navazující

    specializace NBIO , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NISD , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NISY , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NIDE , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NCPS , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, povinný
    specializace NSEC , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NMAT , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NGRI , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NNET , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NVIZ , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NSEN , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NMAL , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NHPC , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NVER , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NEMB , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NADE , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný
    specializace NSPE , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, volitelný

  • Program IT-MGR-1H magisterský navazující

    obor MGH , libovolný ročník, letní semestr, 5 kreditů, doporučený

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Osnova

  1. Úvod do kyberneticko-fyzikálních systémů.
  2. Identifikace systémů a odhad parametrů modelů.
  3. Modely fyzikálních systémů.
  4. Simulace fyzikálních systémů a úvod do modelů kybernetických systémů.
  5. Svázané modely kyberneticko-fyzikálních systémů.
  6. Stabilita a základy řízení.
  7. Analýza a řízení systémů ve spojitém čase.
  8. Analýza a řízení systémů v diskrétním čase.
  9. Robustní řízení.
  10. Strategie řízení dronů.
  11. Autonomie bezpilotních systémů.
  12. Analýza rizik vysoce integrovaných systémů.
  13. Verifikace a testování.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Osnova

  1. Úvod do Matlab/Simulink a simulace dynamických systémů.
  2. Identifikace systému, odhad parametrů modelů.
  3. Simulace a analýza stability fyzikálních modelů.
  4. Návrh algoritmů řízení CPS.
  5. Implementace řídicích algoritmů do simulačního prostředí.
  6. Testování a verifikace systémů.

Projekt

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Osnova

  • Student samostatně navrhne CPS.
  • Student provede analýzu vybraného CPS.
  • Student navrhne a vytvoří řídicí systém CPS.